CN104700978A - 磁场发生控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的磁场发生控制装置及方法，包括轴向方向分别处于三维正交坐标系三个坐标轴方向且圆心均处于三维正交坐标原点的三组电磁线圈；每一组电磁线圈上安装有用于通入电流的电流控制装置以及用于驱动电磁线圈绕其轴向方向独立转动的驱动装置。本发明的磁场发生控制装置及方法通过在现有磁场发生控制方法的基础上增加转动电磁线圈角度控制磁场发生，解决了现有仅通过电流控制磁场强度的控制方式单一，控制自由度低的技术问题，增加了磁场发生的可操控自由度，降低了电磁线圈调制电流的控制需求，且能产生较大期望磁场强度。

Description

磁场发生控制装置及方法

技术领域

本发明涉及磁场领域，特别地，涉及一种磁场发生控制装置及方法。

背景技术

磁场技术在工业生产、交通运输、航空航天等领域均具有非常广泛的应用，如日常生活中常见的磁悬浮列车、工业生产中产品检验环节的电磁探伤以及磁效应无损检测、航空航天领域中电磁对接与编队飞行等，通常对磁感应强度的大小、稳定性、误差范围、响应速度以及磁场分布要求严苛。

传统的磁场装置一般由板状磁轭、永久磁铁组、磁极板等组装而成，磁场强度仅能通过调节电流完成，控制方法单一、控制自由度低，一旦某线圈的通电系统发生故障，则不能产生期望强度的空间三维磁场，且当电磁线圈的电流限幅情况下，则无法实现更高强度的磁场生成。因此，亟需提供一种解决磁场发生控制方法单一、控制自由度低的磁场发生控制装置及方法。

发明内容

本发明提供了一种磁场发生控制装置及方法，以解决现有磁场发生控制方法单一、控制自由度低的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种磁场发生控制装置，包括：

轴向方向分别处于三维正交坐标系的三个坐标轴方向，且圆心均处于三维正交坐标系的原点的三组电磁线圈；

每一组电磁线圈上安装有用于通入电流的电流控制装置以及用于驱动电磁线圈绕其轴向独立转动的驱动装置。

进一步地，磁场发生控制装置还包括用于安装三组电磁线圈的万向支架或三轴转台。

进一步地，万向支架包括用于分别安装三组电磁线圈的外环框架、中环框架以及内环框架；其中，中环框架位于外环框架内，内环框架位于中环框架内。

进一步地，电流控制装置输出的电流为直流电流或交流电流。

进一步地，电磁线圈为高温超导电磁线圈。

进一步地，驱动装置为电机。

根据本发明的另一方面，还提供了一种磁场发生控制方法，包括：

根据三维正交坐标系中的空间点的期望磁场矢量求取轴向方向分别处于三维正交坐标系的三个坐标轴方向，且圆心均处于三维正交坐标系的原点的三组电磁线圈的磁偶极子矢量和；

根据磁偶极子矢量和求取仅包含与三组电磁线圈分别对应的三个电流变量和三个转角变量的函数关系，其中，电流变量代表电磁线圈通入电流的大小，转角变量代表电磁线圈绕其轴向独立转动角度的大小；

根据函数关系中预设为已知量的任意三个变量，求取函数关系中剩余的三个变量作为磁场发生控制调节对象。

进一步地，根据磁偶极子矢量和求取仅包含与三组电磁线圈分别对应的三个电流变量和三个转角变量的函数关系为：

$\mathrm{\μ}=L_1^T{n}_1{A}_1{I}_{1}i+L_1^T{L}_2^T{n}_2{A}_2{I}_{2}j+L_1^T{L}_2^T{L}_3^T{n}_3{A}_3{I}_{3}k$

其中，μ代表三组电磁线圈的磁偶极子矢量和， $L_1=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right],$ $L_2=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right],L_3=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ 分别代表三组电磁线圈绕其轴向独立转动的旋转矩阵，α、β、γ分别表示三组电磁线圈的转角变量，I₁、I₂、I₃分别表示三组电磁线圈的电流变量，n₁、n₂、n₃分别表示三组电磁线圈的匝数，A₁、A₂、A₃分别表示三组电磁线圈闭合面积，i、j、k分别表示三维正交坐标系的三个坐标轴方向的单位向量。

进一步地，任意三个变量为三个转角变量。

进一步地，任意三个变量为三个电流变量。

本发明具有以下有益效果：

本发明的磁场发生控制装置及方法，通过在现有磁场发生控制方法的基础上增加转动电磁线圈角度控制磁场发生，解决了现有仅通过电流控制磁场强度的控制方式单一，以及控制自由度低的技术问题，增加了磁场发生的可操控自由度，降低了电磁线圈调制电流的控制需求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的磁场发生控制装置示意图；以及

图2是本发明优选实施例的磁场发生控制方法流程图。

附图标记：

1、外环框架；2、中环框架；3、内环框架；4、外环轴节点；5、中环轴节点；6、内环轴节点；7、外环轴；8、中环轴；9、内环轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种磁场发生控制装置，包括：轴向方向分别处于三维正交坐标系的三个坐标轴方向，且圆心均处于三维正交坐标系的原点的三组电磁线圈；每一组电磁线圈上安装有用于通入电流的电流控制装置以及用于驱动电磁线圈绕其轴向独立转动的驱动装置。

本发明的磁场发生控制装置，通过在现有磁场发生控制方法的基础上增加转动电磁线圈角度控制磁场发生，解决了现有仅通过电流控制磁场强度的控制方式单一、控制自由度低的技术问题，增加了磁场发生的可操控自由度，降低了电磁线圈调制电流的控制需求。

可选地，磁场发生控制装置还包括用于安装三组电磁线圈的万向支架或三轴转台。可选地，万向支架包括用于分别安装三组电磁线圈的外环框架1、中环框架2以及内环框架3；其中，中环框架2位于外环框架1内，内环框架3位于中环框架2内。

本实施例的三组电磁线圈可以安装在万向支架或三轴转台上，且三组电磁线圈分别安装在万向支架的外环框架1、外环框架1内的中环框架2、以及中环框架2内的内环框架3上，通过将电磁线圈缠绕在外环框架1、中环框架2以及内环框架3上从而形成外、中、内三组电磁线圈。本实施例选取整个磁场发生装置的质心(内环框架3中心)作为三维正交坐标系的原点，且三维正交坐标系的三个坐标轴(外环轴7、中环轴8、内环轴9)分别选为外环框架1、中环框架2、内环框架3的轴向方向。本实施例在外环轴节点4、中环轴节点5、内环轴节点6处安装电机和电流控制装置，其中电机用于驱动电磁线圈绕其轴向方向按照一定规律转动，电流控制装置用于控制电磁线圈电流。本实施例的外环框架1绕外环轴7转动，中环框架2固定于外环框架1内，中环框架2绕中环轴8转动，同样，内环框架3绕内环轴9转动。

可选地，电流控制装置输出的电流为直流电流或交流电流。本实施例的电流可以采用标准源提供的直流电流也可以采用三相电源提供的交流电流。

可选地，电磁线圈为高温超导电磁线圈。当线圈温度低于77K时，可承受强电流且无热损耗。本实施例的电磁线圈采用高温超导电磁线圈提高了磁场发生控制的稳定性，有利于强电流下的磁场发生。

可选地，驱动装置为电机，电磁线圈通过电机驱动实现转动。本实施例的线圈外接能使其转动的驱动机构，其中驱动机构可以采用电机带动电磁线圈转动，只要满足各电磁线圈能够绕各自的轴转动，且各个线圈转动互不干扰即可。

参照图2，本发明的优选实施例还提供了一种磁场发生控制方法，包括：

步骤S101，根据三维正交坐标系中的空间点的期望磁场矢量求取轴向方向分别处于三维正交坐标系的三个坐标轴方向，且圆心均处于三维正交坐标系的原点的三组电磁线圈的磁偶极子矢量和；

步骤S103，根据磁偶极子矢量和求取仅包含与三组电磁线圈分别对应的三个电流变量和三个转角变量的函数关系，其中，电流变量代表电磁线圈通入电流的大小，转角变量代表电磁线圈绕其轴向独立转动角度的大小；

步骤S105，根据函数关系中预设为已知量的任意三个变量，求取函数关系中剩余的三个变量作为磁场发生控制调节对象。

由于期望强度的空间三维磁场产生原理为各线圈磁场的矢量叠加，因此，如果线圈的空间指向也能调节的话，会使得控制自由度增加，且可通过线圈的转动实现空间三维磁场发生控制，避免某线圈通电故障导致的严重后果。本发明的磁场发生控制方法，通过在现有磁场发生控制方法的基础上增加转动电磁线圈角度控制磁场发生，解决了现有仅通过电流控制磁场强度的控制方式单一，控制自由度低的技术问题，增加了磁场发生的可操控自由度，降低了电磁线圈调制电流的控制需求。

下面结合图2所示的磁场发生控制方法流程示意图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。步骤S101，根据三维正交坐标系中的空间点的期望磁场矢量求取轴向方向分别处于三维正交坐标系的三个坐标轴方向，且圆心均处于三维正交坐标系的原点的三组电磁线圈的磁偶极子矢量和。本实施例根据三维正交坐标系中的空间点R_j的期望磁场矢量B_j(R_j)求取轴向方向分别处于三维正交坐标系的三个坐标轴方向，且圆心均处于三维正交坐标系的原点的三组电磁线圈的磁偶极子矢量和μ的计算公式为：

$B_j\left(R_j\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}(\frac{3\mathrm{\μ}\·R_j}{{\left|R_j\right|}^5}{R}_j-\frac{\mathrm{\μ}}{{\left|R_j\right|}^3})---\left(1\right)$

其中，B_j(R_j)代表三维正交坐标系中的空间点R_j的期望磁场矢量，R_j代表三维正交坐标系中的空间点位置，μ代表三组电磁线圈的磁偶极子矢量和，μ₀代表真空磁导率。

步骤S103，根据磁偶极子矢量和求取仅包含与三组电磁线圈分别对应的三个电流变量和三个转角变量的函数关系，其中，电流变量代表电磁线圈通入电流的大小，转角变量代表电磁线圈绕其轴向独立转动角度的大小。

本实施例根据磁偶极子矢量和求取包含与三组电磁线圈分别对应的三个电流变量和三个转角变量的函数关系为：

$\mathrm{\μ}=L_1^T{n}_1{A}_1{I}_{1}i+L_1^T{L}_2^T{n}_2{A}_2{I}_{2}j+L_1^T{L}_2^T{L}_3^T{n}_3{A}_3{I}_{3}k---\left(2\right)$

其中，μ代表三组电磁线圈的磁偶极子矢量和， $L_1=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right],$ $L_2=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right],L_3=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ 分别代表三组电磁线圈绕其轴向独立转动的旋转矩阵，α、β、γ分别表示三组电磁线圈的转角变量，I₁、I₂、I₃分别表示三组电磁线圈的电流变量，n₁、n₂、n₃分别表示三组电磁线圈的匝数，A₁、A₂、A₃分别表示三组电磁线圈闭合面积，i、j、k分别表示三维正交坐标系的三个坐标轴方向的单位向量。

步骤S105，根据函数关系中预设为已知量的任意三个变量，求取函数关系中剩余的三个变量作为磁场发生控制调节对象。

可选地，任意三个变量为三个转角变量。本实施例设定其中三个转角变量为已知量，且均为0。单纯通过控制电磁线圈中的调制电流以得到预期的空间电磁场对电流调节控制装置要求较高，但磁场发生机理简单且清晰。令μ_i(i＝1,2,3)表示各电磁线圈的磁偶极子，三组电磁线圈的磁偶极子分别为μ₁＝n₁A₁I₁、μ₂＝n₂A₂I₂、μ₃＝n₃A₃I₃。

其中，I₁、I₂、I₃为可控的电流，分别为 其中I_x、I_y、I_z分别表示三组电磁线圈的电流幅值，分别表示三组电磁线圈电流的相位，此时，三组电磁线圈的磁偶极子矢量和为：

μ＝n₁A₁I₁i+n₂A₂I₂j+n₃A₃I₃k    (3)

结合公式(1)和公式(3)，再根据三维正交坐标系中的空间点R_j的期望磁场矢量B_j(R_j)，可以得到三组电磁线圈的电流大小，从而实现在已知三组电磁线圈的转角α＝β＝γ＝0和空间点R_j的期望磁场矢量B_j(R_j)的情况下，得到期望磁场所需的三组电磁线圈的电流调节值。

可选地，任意三个变量为三个电流变量。本实施例设定函数关系中的三个电流变量为已知量，分别为：I₁＝20.26(A)，I₂＝10.01(A)，I₃＝8.36(A)，三组电磁线圈的匝数分别为：n₁＝n₂＝n₃＝5000；三组电磁线圈的半径分别为：r₁＝0.8(m)，r₂＝0.7(m)，r₃＝0.6(m)，三维正交坐标系的空间点为：R_j＝xi+yj+zk＝1.02i+0.32j+0.16k，其中(x,y,z)代表空间点在三维正交坐标系中的坐标，且设定该空间点的期望磁场矢量为：

B_j(R_j)＝B_xi+B_yj+B_zk＝-0.020i+0.017j-0.0157k    (4)

其中(B_x,B_y,B_z)代表空间点R_j的磁场矢量在三维正交坐标系中的坐标分量。将各已知条件代入公式(1)不难得出三组电磁线圈的磁偶极子矢量和μ。将已知的三个电流值和三组电磁线圈的磁偶极子矢量和μ代入公式(2)可以得到三组电磁线圈绕其轴向独立转动的旋转矩阵L₁、L₂、L₃。再根据L₁、L₂、L₃与α、β、γ的关系，最终得到α＝3.3921°，β＝6.2113°，γ＝55.0039°。显而易见，针对已知的三个电流变量，公式(2)都能解出与三个电流变量对应的三个转动角度值。

本实施例采用转动电磁线圈角度控制磁场发生时，其中各电磁线圈分别绕其轴转动的转动角度为卡尔丹角，定义卡尔丹角的参考坐标系并非本实施例中的三维正交坐标系，而是各个电磁线圈本身的固连坐标系，因此本实施例通过三维正交坐标系与各固连坐标系之间的相互转换可以计算三个卡尔丹角，即各电磁线圈需要绕其轴的转动角度。本实施例根据三个已知的电流变量求取出三个转角变量值，将每一组电磁线圈分别绕其轴向方向转动与其对应的转动角度，从而得到期望磁场，每一组电磁线圈的转动互不干扰。本实施例在给定电流的情况下，将第一组电磁线圈绕其轴转动α角度，将第二组电磁线圈绕其轴转动β角度，将第三组电磁线圈绕其轴转动γ角度，即可以得到期望的电磁感应强度。采用对电磁线圈的转角进行控制可避免线圈供电故障导致的磁矩控制自由度不足问题，提高了磁场发生控制的稳定性。

可选地，任意三个变量可以同时包括电流变量和转角变量，采用同时对电流和转角进行控制，解决了现有磁场发生控制方法单一，控制自由度低的问题，且同时控制电流和转角大大增加了磁场发生控制自由度，且可以产生电流幅值约束下不能产生期望磁场强度的磁场。

可选地，电磁线圈通过电机驱动实现转动。本实施例的线圈外接能使其转动的驱动机构，其中驱动机构可以采用电机带动电磁线圈转动，只要满足各电磁线圈能够绕各自的轴转动，且各个线圈转动互不干扰即可。本实施例根据三组电磁线圈的转动角度可以求解出电机控制三组电磁线圈转动的控制力矩，分别为：

$J_{\mathrm{\α}}\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}=M_{\mathrm{\α}}---\left(5\right)$

$J_{\mathrm{\β}}\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}=M_{\mathrm{\β}}---\left(6\right)$

$J_{\mathrm{\γ}}\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=M_{\mathrm{\γ}}---\left(7\right)$

其中，Μ_α、Μ_β、Μ_γ分别代表控制三组电磁线圈转动的控制力矩，代表三组电磁线圈的转动角度α、β和γ对应的角加速度，J_α、J_β、J_γ分别代表的三组电磁线圈对应的相对其各自转轴的转动惯量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁场发生控制装置，其特征在于，包括：

轴向方向分别处于三维正交坐标系的三个坐标轴方向，且圆心均处于所述三维正交坐标系的原点的三组电磁线圈；

每一组所述电磁线圈上安装有用于通入电流的电流控制装置以及用于驱动所述电磁线圈绕其轴向独立转动的驱动装置。

2.根据权利要求1所述的磁场发生控制装置，其特征在于，

所述磁场发生控制装置还包括：用于安装所述三组电磁线圈的万向支架或三轴转台。

3.根据权利要求2所述的磁场发生控制装置，其特征在于，

所述万向支架包括用于分别安装所述三组电磁线圈的外环框架(1)、中环框架(2)以及内环框架(3)，其中，所述中环框架(2)位于所述外环框架(1)内，所述内环框架(3)位于所述中环框架(2)内。

4.根据权利要求3所述的磁场发生控制装置，其特征在于，

所述电流控制装置输出的电流为直流电流或交流电流。

5.根据权利要求4所述的磁场发生控制方法，其特征在于，

所述电磁线圈为高温超导电磁线圈。

6.根据权利要求5所述的磁场发生控制方法，其特征在于，

所述驱动装置为电机。

7.一种磁场发生控制方法，其特征在于，包括：

根据三维正交坐标系中的空间点的期望磁场矢量求取轴向方向分别处于所述三维正交坐标系的三个坐标轴方向，且圆心均处于所述三维正交坐标系的原点的三组电磁线圈的磁偶极子矢量和；

根据所述磁偶极子矢量和求取仅包含与所述三组电磁线圈分别对应的三个电流变量和三个转角变量的函数关系，其中，电流变量代表电磁线圈通入电流的大小，转角变量代表电磁线圈绕其轴向独立转动角度的大小；

根据所述函数关系中预设为已知量的任意三个变量，求取所述函数关系中剩余的三个变量作为磁场发生控制调节对象。

8.根据权利要求7所述的磁场发生控制方法，其特征在于，根据所述磁偶极子矢量和求取仅包含与所述三组电磁线圈分别对应的三个电流变量和三个转角变量的函数关系为：

$\mathrm{\μ}=L_1^T{n}_1{A}_1{I}_{1}i+L_1^T{L}_2^T{n}_2{A}_2{I}_{2}j+L_1^T{L}_2^T{L}_3^T{n}_3{A}_3{I}_{3}k$

其中，μ代表所述三组电磁线圈的磁偶极子矢量和， $L_1=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right],$

$L_2=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right],$ $L_3=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ 分别代表所述三组电磁线圈绕其轴向独立转动的旋转矩阵，α、β、γ分别表示所述三组电磁线圈的转角变量，I₁、I₂、I₃分别表示所述三组电磁线圈的电流变量，n₁、n₂、n₃分别表示所述三组电磁线圈的匝数，A₁、A₂、A₃分别表示所述三组电磁线圈闭合面积，i、j、k分别表示所述三维正交坐标系的三个坐标轴方向的单位向量。

9.根据权利要求8所述的磁场发生控制方法，其特征在于，

所述任意三个变量为所述三个转角变量。

10.根据权利要求8所述的磁场发生控制方法，其特征在于，

所述任意三个变量为所述三个电流变量。